ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y LA DEFORMACIÓN DE UNA ALEACIÓN 70-30% CU-ZN POLICRISTALINO

KAREN LORENA DE LA CRUZ ORTIZ DIANA YAMILE ROMERO APARICIO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICO-QUIMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALURGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA, 2006

ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y LA DEFORMACIÓN DE UNA ALEACIÓN 70-30% CU-ZN POLICRISTALINO

KAREN LORENA DE LA CRUZ ORTIZ DIANA YAMILE ROMERO APARICIO

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al titulo de Ingeniero Metalúrgico

DIRECTOR: P h.D.C. Msc. LUIS EMILIO FORERO GÓMEZ

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICO-QUIMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALURGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA, 2006

“Todo lo que aprendas, procura aprenderlo con la máxima profundidad posible. Los estudios superficiales producen con harta frecuencia hombres mediocres y presuntuosos”.

SILVIO PELLICO

“Saber es relativamente fácil. Querer y obrar de acuerdo a lo que uno quisiera es siempre mas duro”

ALDOUS HUXLEY

DEDICADO

A mi mama Olinda de Romero por su confianza y dedicación total hacia mi, siendo uno de los soportes de mi vida. A mi papa Enrique Romero por acompañarme en todos los momentos importantes, siendo un ejemplo para mi. A mis hermanas Luz Elena y Susana Carolina por ayudarme en todo lo necesario, y estar a mi lado cuando mas las necesite. A mis amigas por estar conmigo en todos los momentos, por escucharme, aconsejarme y compartir este triunfo. A mi amigo especial por estar a mi lado.

Diana Yamile Romero Aparicio

DEDICADO

A Dios por darme la vida y la fortaleza para seguir firme por el camino de la vida A mis padres Nelly Ortiz y Tulio De La Cruz por su confianza, apoyo y enseñarme a ser la mujer valiosa que soy. Siempre me acompañan en mis alegrías y tristezas. A mis hermanas Eliana, Marce, Mile y Mila por ser mis amigas y motores para lograr mis sueños. A mis abuelos y tíos por estar pendientes de mí, y por creer en mi en todo momento. A Jesús por brindarme su amor, su confianza y por motivarme a ser cada día mejor. A los verdaderos amigos, que me enseñaron a valorar lo que tengo, y sé que ellos serán mis amigos para toda la vida. A todos los que me apoyaron les dedico uno de mis triunfos.

Karen

AGRADECIMIENTOS

Deseamos dar nuestros agradecimientos a las personas que nos colaboraron en la realización de esta investigación, sin su colaboración hubiese sido imposible su elaboración. A el director de este proyecto el Ingeniero Luis Emilio Forero Gomez, por ser nuestra guía y soporte. Al grupo de Investigación en Biomateriales por su contribución y respaldo en la realización de esta investigación. Nuestros sinceros agradecimientos a los profesores de la Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de Materiales por su dedicación y apoyo. A los técnicos de la Escuela de Ingeniería Metalúrgica por la colaboración que nos prestaron durante nuestra formación y en especial a el técnico Ambrosio Carrillo por la entrega total hacia nuestro proyecto. A la Universidad Santo Tomas y en particular al Ingeniero Fredy Rincón ya que su colaboración fue de gran importancia para el desarrollo de esta investigación. A nuestras familias por su respaldo y comprensión ya que sin ellas no hubiésemos logrado nuestras metas. A nuestros amigos por estar con nosotras cuando los necesitamos, por su cariño y compresión en los momentos mas difíciles.

TABLA DE CONTENIDO Pag. INTRODUCCIÓN

7

1. ASPECTOS GENERALES

9

1.1. OBJETIVO GENERAL 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1.3. ANTECEDENTES

9 9 9

2. MARCO TEORICO

12

2.1. GENERALIDADES

12

2.2. PROPIEDADES

14

2.2.1. Composición química

14

2.2.2. Propiedades mecánicas

15

2.3 . MECANISMOS DE DEFORMACIÓN

15

2.3.1. Sistemas de deslizamiento activos en cristales FCC

18

2.3.2. Criterio de plasticidad por deslizamiento cristalográfico.

19

2.4. TÉCNICA PARA LA DETERMINACIÓN DE LA ORIENTACIÓN DE

23

GRANOS A PARTIR DE LAS LÍNEAS DE DESLIZAMIENTO 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

27

3.1. CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL

28

3.1.1.Composición química de la aleación

28

3.2. EQUIPOS EMPLEADOS

29

3.2.1. Pulidora de vibraciones Metapolan N11654.

29

3.2.2. Fuente variable de voltaje Ac/Dc Frv 3-5 A.

29

3.2.3. Microscópio metalográfico

29

3.2.4. Analisador de Imagen

30

3.2.5. Microdurómetro

30

3.2.6. Máquina universal de ensayos Shimadzu

30

3.3 . ANÁLISIS METALOGRÁFICO.

31

3.3.1. Preparación de las probetas

31

3.3.2. Medición del tamaño de grano

33

3.4.

34

ENSAYO DE TRACCIÓN

3.4.1. Preparación de las probetas para ensayo de tracción

34

3.4.2. Procedimiento

36

3.5.

37

ENSAYO DE FLEXION.

3.5.1. Preparación de probetas para ensayo de flexión.

37

3.5.2. Procedimiento

39

3.6. ENSAYO DE DUREZA.

40

3.7. DETERMINACIÓN DE LA ORIENTACIÓN DE LOS GRANOS Y SISTEMAS DE DESLIZAMIENTO.

40

4. RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

44

4.1.

44

ANÁLISIS METALOGRÁFICO

4.1.1. Tamaño de grano

47

4.2.

ENSAYO DE TRACCIÓN

48

4.3.

ENSAYO DE FLEXIÓN

51

4.4.

ENSAYO DE DUREZA

55

4.5.

ORIENTACIÓN DE GRANO Y SISTEMAS DE DESLIZAMIENTO.

56

5. CONCLUSIONES

69

6. RECOMENDACONES

71

BIBLIOGRAFÍA

72

ANEXOS

75

LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1. Composición química permisible establecida por norma ASTM B36.

14

Tabla 2. Propiedades mecánicas de latones colados en arena.

15

Tabla 3. Propiedades físicas de la aleación Cu-Zn 70/30.

28

Tabla 4. Composición química del material.

29

Tabla 5. Soluciones y condiciones para el ataque electrolítico.

32

Tabla 6. Ensayo de tracción.

34

Tabla 7. Ensayo de flexión.

37

Tabla 8. Ensayo de dureza.

40

Tabla 9. Propiedades mecánicas determinadas a partir del ensayo de tracción T4.

50

Tabla 10. Propiedades mecánicas determinadas a partir del ensayo de flexión F3.

55

Tabla 11. Sistemas de deslizamiento activos en el ensayo M1.

58

Tabla 12. Intersecciones de los planos {111} que se activan, con el plano

(001) .

59

Tabla 13. Sistemas de deslizamiento activos en el ensayo M2.

61

Tabla 14. Intersecciones entre los planos {111} activos y el plano (111) .

62

Tabla 15. Sistemas de deslizamiento activos en el ensayo M3.

64

LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1. Diagrama de fases Cu-Zn.

13

Figura 2. Red cúbica centrada en las caras.

14

Figura 3. Mecanismos de deformación.

17

Figura 4. Líneas de deslizamiento en un cristal.

18

Figura 5. Proyección estereográfica de la red cúbica.

19

Figura 6. Tracción en un cristal con un solo sistema de deslizamiento.

20

Figura 7. Líneas de deslizamiento del latón 70/30 policristalino.

22

Figura 8. Esquema de líneas de deslizamiento.

25

Figura 9. Zonas del cristal.

25

Figura 10. Diagrama de flujo de la metodología.

27

Figura 11. Probeta pulida y atacada para análisis metalográfico.

31

Figura 12. Micrografías de latón 70-30.

32

Figura 13. Obtención de probetas para ensayo de tracción.

35

Figura 14. Dimensiones de la probeta para el ensayo de tracción.

35

Figura 15. Fotografía de la probeta de tracción.

36

Figura 16. Obtención de probetas para ensayo de flexión.

38

Figura 17. Dimensiones probeta de ensayo de flexión.

38

Figura 18. Fotografía de la probeta para ensayo de flexión.

39

Figura 19. Ángulos entre líneas de deslizamiento medidas con SPOT 0.4.

41

Figura 20. Probeta para análisis luego de la deformación plástica.

42

Figura 21. Medida de ángulos con SPOT 0.4 en la probeta sometida a

43

tensión. Figura 22. Micrografías de latón 70-30; 100% fase alfa, ataque con solucion

44

de H3PO4-etanol a 100x; Figura 23. Micrografías de latón 70-30; 100% fase alfa, ataque con solucion

45

de H3PO4-etanol mayor tiempo de ataque que en figura 21 a 100x. Figura 24. Micrografías de latón 70-30; 100% fase alfa, ataque con solucion

45

de 65% H3PO4 a100x. Figura 25. Maclas de recocido a 100x, (ataque con solucion de H3PO4-

46

etanol). Figura 26. Medida de tamaño de grano.

47

Figura 27. Curva Esfuerzo Vs Deformación para ensayo T4.

49

Figura 28. Probeta fracturada.

49

Figura 29. Esfuerzo tensil como función de la temperatura de recocido para

31

una barra de una pulgada fabricada en la aleación Cu-Zn 70-30. Figura 30. Montaje para ensayo de flexión a tres puntos.

52

Figura 31. Curva Esfuerzo Vs Deflexión para ensayo F2.

53

Figura 32. Curva Esfuerzo Vs Deflexión para ensayo F3.

53

Figura 33. Probeta F2 deformada en flexión.

54

Figura 34. Fotografía de Identacion generando un par de líneas de

57

deslizamiento perpendiculares (ensayo M1). Figura 35. Fotografía de identacion generando tres líneas de deslizamiento

60

(ensayo M2). Figura

36.

Fotografía

de

identacion

generando

cuatro

líneas

de

62

deslizamiento (ensayo M3). Figura 37. Diagrama para determinar ángulos entre líneas de deslizamiento.

63

Figura 38. Curva esfuerzo deformación para ensayo T5

65

Figura 39. Líneas de deslizamiento en probeta sometida a carga axial T5a.

66

Figura 40. Triángulo estándar.

67

Figura 41. Líneas de deslizamiento en probeta sometida a carga axial T5b

68

ANEXOS

Pág. ANEXO A: MICROGRAFIAS DE PROBETAS SOMETIDAS A ENSAYO DE MICRODUREZA.

75

ANEXO B: MICROGRAFIAS DE PROBETAS SOMETIDAS A ENSAYO DE TRACCION.

76

RESUMEN TITULO ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES MECANICAS Y LA DEFORMACIÓN DE UNA ALEACIÓN 70-30% CU-ZN POLICRISTALINO* AUTORES Karen Lorena De La Cruz Ortiz Diana Yamile Romero Aparicio** PALABRAS CLAVES: Latón 70-30, ensayos mecánicos, orientación de grano, sistemas de deslizamiento activos. RESUMEN En este trabajo se determinan las propiedades mecánicas de la aleación Cu-Zn 70/30 y la manera como deforma el material al ser sometido a esfuerzos de tensión y compresión. La técnica para la determinación de los sistemas de deslizamiento que se producen durante la deformación y la orientación de los granos esta basada en establecer los cosenos directores de los ángulos entre líneas de deslizamiento generadas. El estudio realizado comprende el análisis metalográfico de la aleación Cu-Zn 70/30, ensayos de tracción, flexión y microdureza. La aleación esta constituida por fase alfa y sus granos tienen un tamaño promedio entre 2 y 3 según la norma ASTM E-112. Las microprobetas ensayadas cumplen los requerimientos tensiles de resistencia a la fluencia de 110 MPa y resistencia a la tracción de 330 Mpa establecidos por la norma ASTM B 36. Para la determinación de los sistemas de deslizamiento activos se utilizó la microprobeta sometida a carga axial hasta 5% de deformación plástica y las probetas de microdureza con 1000 gf, obteniendo que en este material, los sistemas de deslizamiento corresponden a la familia de planos {111} en las familias de direcciones 110

característico de materiales con estructura

cubica centrada en las caras (FCC) y que cumple con la ley de Schmid. A partir del estudio realizado de deformación y sistemas preferenciales de deslizamiento de la aleación Cu-Zn 70/30, se pueden establecer las condiciones de conformado del material, dado que una fuerte orientación preferente puede facilitar o dificultar los procesos de trabajado mecánico.

* **

Trabajo de grado Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas, Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de Materiales, Luis Emilio Forero Gómez.

ABSTRACT TITLE STUDY OF THE MECHANICAL PROPERTIES AND THE DEFORMATION OF AN ALLOY 70-30% CU-ZN POLYCRYSTALLINE* AUTHORS Karen Lorena De La Cruz Ortiz Diana Yamile Romero Aparicio** KEYWORDS: Brass 70-30, Mechanical tests, Orientation crystal, Active slip systems. ABSTRACT In this work the mechanical properties of the alloy 70/30 Cu-Zn and the way how they deform under tensile strain and compression were determined. By using the technique for determination of slip systems produced during the deformation and the orientation crystals, based on the cosines directors of the angles between slip lines generated. The study included the metalographic analysis of the alloy 70/30 Cu-Zn, tests of traction, flexion and microhardness. The alloy was composed by phase alpha and average grain sizes ASTM E-112 among 2 and 3. The specimens fulfill the tensile requirements of yield strength of 110 MPa and tensile strenght of 330 Mpa established by the standard ASTM B 36. For the determination of active slip systems the specimen was tested under axial load up to 5% of plastic deformation and the microhardness sample with 1000gf, obtaining that the materials, the slip systems they correspond at the planes family {111} in the directions family 110 characteristic of the materials with structure faces centered cubic (FCC) and fulfill the Schmid law. From the study made about deformation and the active slip systems of the alloy 70/30 Cu-Zn, could seen that a forming process at which the material could be undergone, a strong texture can either facilitate or make difficult the mechanical working process.

* **

Undergraduate Project

Physicalchemistry Engineering Faculty, Metallurgical Engineering and Materials Science School. Universidad Industrial de Santander, Luis Emilio Forero Gómez.

INTRODUCCIÓN En la actualidad el avance de la metalurgia se fundamenta en el estudio de las propiedades físicas y químicas de metales y aleaciones. Entre las aleaciones más utilizadas se encuentran las no ferrosas las cuales incluyen un amplio grupo de materiales, cada uno con características individuales. Por ejemplo las aleaciones de cobre son particularmente utilizadas para lograr resistencia a productos químicos, a la temperatura y por sus propiedades eléctricas y magnéticas. Piezas tales como cartuchos, tornillos, monedas, joyas, herrajes y otros fabricados de la aleación Cu-Zn 70-30 denominado latón 70/30, son muestra de la variedad de productos que se pueden obtener.

El latón 70-30, es dúctil y puede forjarse en planchas finas. La maleabilidad de esta aleación varía con algunos parámetros como la temperatura y la composición. Diversos productos de esta aleación se pueden obtener al someter el material a diferentes procesos de conformado como: trefilado, laminado o embutido. En los procesos de conformado el latón se deforma y durante esta deformación, los granos giran y se alargan, causando que algunas direcciones y planos cristalográficos se alineen. En consecuencia, se desarrollan orientaciones preferenciales o texturas. Este efecto produce un comportamiento anisotrópico del material. En procesos como el trefilado, se produce una textura de fibra, afortunadamente, esto proporciona la mayor resistencia a lo largo del eje del alambre, que es lo deseable. En procesos como el laminado, se produce tanto direcciones como planos preferenciales, generando una textura de capas superpuestas.

En los procesos de trabajo en frío cualquier inclusión o segunda fase que se encuentre presente en la estructura original, se alinea también durante la deformación. Las inclusiones blandas normalmente se deforman y se alargan; las inclusiones duras pueden no deformarse pero se alinean en la dirección de la deformación. Las inclusiones alargadas, actúan como pequeñas grietas internas y reducen las propiedades mecánicas del latón cuando es trabajado en frío. Por lo anotado anteriormente es importante realizar un estudio que relacione las propiedades mecánicas del material, sin tener en cuenta su estructura interna y los sistemas de deformación que en general determinan los procesos de conformado mecánico. Este trabajo comprende la determinación de las propiedades mecánicas a partir de ensayos de resistencia a la tracción, resistencia a la flexión, dureza y microdureza; y la manera como deforma el latón 70/30 determinando las direcciones cristalográficas y la orientación de los granos, ya que ello puede influir en la deformación de los mismos y a su vez en la del material en general.

9

1. ASPECTOS GENERALES 1.1 OBJETIVO GENERAL Evaluar las propiedades mecánicas del latón 70-30% Cu-Zn policristalino,

e

investigar los sistemas de deformación del material.

1.3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1.3.1. Analizar mediante ensayos, las propiedades mecánicas del material como son: dureza, resistencia a la flexión y resistencia a la tracción. 1.3.2. Identificar los sistemas de deslizamiento que se activan en el material y sobre los cuales se deforma; a partir de las líneas de deslizamiento que tienen lugar en el ensayo de microdureza y el ensayo de tracción. 1.3.3. Establecer la influencia de los sistemas de deformación para uso posterior del material y la identificación de la orientación de los granos. 1.3.4. Establecer las diferentes características y utilidades que se le podrían dar en la industria a los latones 70-30.

1.3 ANTECEDENTES Durante los procesos de conformado los granos o cristales cambian de forma a medida que estos interactúan con las dislocaciones, generando orientaciones preferenciales o textura, responsables de cambios direccionales en las propiedades del material.

10

Para la determinación de la orientación de un cristal se han desarrollado varios métodos, entre ellos el método de Laue que es ampliamente utilizado ya que se puede aplicar a muestras grandes y no necesita una preparación especial de la muestra, sin embargo a parte de requerir de las facilidades de rayos x, el método de Laue comprende ensayo y error y lleva tiempo aún cuando se puede contar con la ayuda de un computador para facilitar esta tarea. La determinación de la orientación por el método de ataque - picado de la muestra fue desarrollada y usada por algunos investigadores a mediados de siglo, este método es rápido y medianamente acertado. Las desventajas de este método son la necesidad de montar la muestra en un goniómetro y técnicamente difícil de desarrollar picado con caras planas y paralelas a los planos cristalográficos. [3] S. NOURBAKHSH y D. VUJIC1 realizaron un estudio acerca del comportamiento que tiene la aleación Cu-Zn 70-30% al ser sometida a esfuerzo plano de compresión. Ellos utilizaron probetas de 90µm y 4µm

de tamaño de grano

promedio, utilizaron metalografía óptica, metalografía electrónica y difracción de rayos x, para determinar el comportamiento de la microestructura y textura con la aplicación de la carga. Encontraron que a bajos esfuerzos la aleación Cu-Zn 7030% se deforma principalmente por deslizamiento, a medianos esfuerzos se forman bandas de corte y con altos esfuerzos se deforma gracias a la combinación de deslizamiento y maclado. Además, la dirección de la deformación es diferente para cada tamaño de grano. R. L. FLEISCHER2 Hizo un estudio acerca de los sistemas de deslizamiento que se activan cuando se aplican diferentes esfuerzos en la aleación Cu-Zn 70-30% policristalina, para este estudio realizó ensayos de compresión en muestras recocidas a tres temperaturas. Obtuvo que a mayores temperaturas de recocido y bajas deformaciones el número de sistemas de deslizamiento activos era mayor, y disminuía al aumentar la deformación a una determinada temperatura. Concluyó

11

que para todos los esfuerzos y tamaños de grano analizados, Se activaron menos de 5 sistemas de deslizamiento, lo cual pudo ser generado por preparación inadecuada de la superficie de la muestra. Ya que se debían observar 5 o más sistemas de deslizamiento activos en por lo menos el 40 % de los granos. S.C CHANG Y H.C CHEN 3 utilizaron un monocristal de aluminio y aleación de Al Li en forma de barras de 15 mm de diámetro, y en un ensayo de dureza realizado se observaron líneas de deslizamiento alrededor de la identación. Se observo que cuando realizaron ensayos de dureza con identadores de dureza Vickers, los deslizamientos en todos los

planos de deslizamiento en un cristal FCC se

activaron para satisfacer la condición de compatibilidad plástica. Dado que las líneas de deslizamiento en el plano de identación fueron las líneas de intersección de los planos de deslizamiento {111} con el plano de identación, existe una correspondencia entre la relación angular de las líneas de deslizamiento y la orientación del plano de identación. A TATSHL Y O. KOLEDNIK4 desarrollaron un procedimiento experimental para conocer el comportamiento de los granos en policristales con la deformación plástica. Este procedimiento consiste en determinar la orientación inicial del grano y la evolución que tiene durante la deformación ocasionada en el ensayo de tensión. En su desarrollo utilizaron microscopio electrónico de barrido para determinar la orientación de los cristales y un sistema de análisis de imagen OIM (Orientation Image Microscopy) para establecer la deformación local de los granos.

12

2. MARCO TEORICO 2.1. GENERALIDADES El latón es una aleación formada por una mezcla de cobre y cinc. Es de color amarillo

y cuenta con numerosas aplicaciones técnicas, siendo uno de los

materiales metálicos más utilizados en nuestra vida cotidiana. Para obtener latón, se mezcla el cinc con el cobre en crisoles o en un horno de reverbero o de cubilote. Los lingotes se laminan en frío, las barras y placas pueden laminarse en varillas o cortarse en tiras susceptibles de estirarse para fabricar alambre. Los latones comprenden una amplia zona de aleaciones de cobre que contienen del 55 al 80% de cobre y el resto de cinc, con o sin la adición de cantidades relativamente pequeñas de otros elementos, principalmente estaño, plomo, hierro, manganeso, níquel, aluminio y silicio.

Las aleaciones estrictamente de cobre-cinc, que forman la base de la serie completa de latones, se dividen en tres grupos principales, en la Figura 1 se pueden observar las fases correspondientes a cada grupo. ™ Latones alfa (α), contenido de zinc de 5% a 35%, se caracterizan por su alta ductilidad, mayor elasticidad y buenas propiedades para ser deformado en frío, son relativamente blandos y fáciles de deformar plásticamente, su estructura cristalina es FCC. La microestructura de los latones de fase alfa monofásicos constan de una solución sólida alfa, para una aleación 70% Cu-30%Zn.

13

™ Latones alfa + beta (α + β), contenido de zinc de 35% a 45%, se deforman plásticamente en caliente y son muy resistentes en frío, ideales para piezas forjadas y mecanizadas. Figura 1. Diagrama de fases Cu-Zn

Fuente: www.forbrass s_a_ Información técnica Estampación en caliente de barra de latón.htm

™ Latones beta (β), contenido de zinc de 45% a 50%, se deforman muy bien en caliente, pero son demasiado frágiles en frío.

14

2.1.1. Estructura cristalina del latón 70/30 La aleación Cu-Zn 70/30 posee una estructura cristalina centrada en las caras FCC, (Figura 2)

En esta estructura cristalina se encuentran 3 direcciones

compactas, cabe notar que en ella existen cuatro

planos octaédricos o

compactos, debido a estas características esta aleación tiene la capacidad para soportar deformaciones plásticas severas. Figura 2. Red cúbica centrada en las caras

Fuente: http: //ingenierias.uanl.mx/8/pdf/8_Moises_Hinojosa_La_estructura.pdf

2.2. PROPIEDADES 2.2.1. Composición química Los requerimientos para la composición química de la aleación Cu-Zn 70-30 exigidos por la norma ASTM B36 se presentan en la Tabla 1. Tabla 1. Composición química permisible establecida por norma ASTM B36 ALEACIÓN

LATÓN 70/30 Cu: 68,5 - 71,5 P: 0.07 Máx.

Composición (%)

Fe: 0.05 Máx. Zn: resto

Fuente: Norma ASTM B36

15

2.2.2. Propiedades mecánicas Cuando se mencionan las propiedades mecánicas de metales es necesario conocer los conceptos de tensión y deformación. La tensión es una medida de la carga o fuerza mecánica aplicada, normalizada para tomar en consideración el área de la sección. La deformación es una medida de la elongación o el alargamiento que alcanza el material cuando se le aplica una carga. Algunas de las características mecánicas de los metales se pueden determinar mediante ensayos tensión - deformación sencillos. Existen cuatro tipos distintos de ensayos: tracción, compresión, torsión y corte. Las propiedades mecánicas estimadas para los latones dependiendo del porcentaje de fase alfa presente, se muestran en la Tabla 2. Tabla 2. Propiedades mecánicas en tensión de latones colados en arena

% FASE

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

ALARGAMIENTO %

ALFA

KG/mm2

SOBRE 50 mm

28.5-31.5

100

21.93

68

33.7

100

23.6

63

38.0

75

36.9

56

41.8

55

38.7

50

45.5

0

47.9

27

%ZINC

Fuente: http: //www.lfa-wire.com/c26000.htm

2.3. MECANISMOS DE DEFORMACIÓN Los materiales pueden cambiar de forma debido a una combinación de esfuerzos de corte producidos en los procesos de conformado mecánico, que generan la deformación plástica de los mismos; además en este proceso

intervienen

mecanismos internos asociados con ese cambio macroscópico del material,

16

denominados mecanismos de deformación internos. En la Figura 3 se puede observar un esquema de los mecanismos de deformación. El mecanismo principal de deformación plástica es el deslizamiento cristalográfico, este mecanismo ocurre sobre planos cristalográfico específicos y dentro de estos planos únicamente en determinadas direcciones. Un sistema de deslizamiento representa una combinación de un plano y una dirección de deslizamiento, los planos

de

deslizamiento

son

generalmente

los

planos

de

máximo

empaquetamiento que también son los planos más separados entre ellos. El deslizamiento se da con mayor facilidad en los planos más compactos ya que necesita menor tensión de cizalla para el deslizamiento.

17

Figura 3. Mecanismos de deformación.

Mecanismo principal de deformación plástica

Deslizamiento Cristalográfico

Temperaturas homólogas bajas. Altas velocidades de deformación.

Maclaje

Temperaturas altas. Velocidades de deformación bajas. Pequeñas deformaciones antes de la fractura.

Deslizamiento de intercaras

Contribución a la deformación total, restringida, (es decir actúan como proceso complementario a los procesos de conformado y deslizamiento cristalográfico).

Flujo por difusión

Fuente: www.tecnun.es/Asignaturas/ estcompmec/documentos/plastdesli.pdf

A nivel microscópico la deformación plástica corresponde al movimiento de dislocaciones en respuesta a una tensión de cizallamiento aplicada. El límite elástico de un monocristal depende de la magnitud de la tensión de cizallamiento crítica (tensión de cizallamiento mínima que se requiere para iniciar el movimiento de las dislocaciones)

y de la orientación del sistema de deslizamiento con

18

respecto a la tensión aplicada. En la Figura 4 se representan las líneas de deslizamiento que se originan al someter un material a un esfuerzo de corte. Figura 4. Líneas de deslizamiento en un grano

Grano

Limites de grano

Esfuerzo de corte

Banda de deslizamiento

Líneas de deslizamiento

2.3.1. Sistemas de deslizamiento activos en cristales FCC Los sistemas de deslizamiento operativos dependen de la estructura cristalina del material. En una estructura FCC existen 24 regiones triangulares equivalentes por

19

simetría y en cada una de ellas se activan uno de los 12 sistemas de deslizamiento primarios a temperatura ambiente {111} 110 (Figura 5). Figura 5. Proyección estereográfica de la red cúbica

Fuente: www.tecnun.es/Asignaturas/ estcompmec/documentos/plastdesli.pdf

Las letras A, B, C, D especifican los polos de los planos de deslizamiento activos, y los numerales del I al VI indican la dirección del deslizamiento

2.3.2 Criterio de plasticidad por deslizamiento cristalográfico. Para estudiar el deslizamiento de los materiales se trata primero en monocristales y después se extiende de manera apropiada a materiales policristalinos.

20

Supongamos que se aplica una fuerza F en una sola dirección a un cilindro metálico formado por un solo cristal (Figura 6), tanto el plano de deslizamiento como la dirección de deslizamiento tienen una orientación especifica respecto a la fuerza. Siendo λ el ángulo entre la fuerza y la dirección de deslizamiento y ϕ el ángulo entre la fuerza y la normal al plano de deslizamiento. Para que la dislocación se mueva en este sistema de deslizamiento, la fuerza debe producir una fuerza cortante Fr actuando en la dirección del deslizamiento. Figura 6. Tracción en un cristal con un solo sistema de deslizamiento F=σA

NDD

ϕ λ

DD

NDD: Normal a la dirección de deslizamiento. DD: Dirección del deslizamiento.

21

La fuerza cortante viene dada por: Fr = F cos λ

Y al dividir la ecuación entre el área del plano de deslizamiento A = Ao cos ϕ Se obtiene la ley de Schmid.

τ y = σ cos ϕ . cos λ Donde

τ y = Fr / A

= Esfuerzo cortante resultante en la dirección del deslizamiento

σ = F / Ao

= Esfuerzo unidireccional aplicado al cristal

El esfuerzo de corte critico

τc

es el esfuerzo cortante requerido para romper

suficientes enlaces metálicos y que ocurra el deslizamiento. Cuando el esfuerzo aplicado produzca un esfuerzo cortante resultante igual al esfuerzo cortante resultante crítico, ocurrirá el deslizamiento y la deformación plástica. Para metales con estructura cristalina FCC el deslizamiento se da sobre los planos octaédricos de máximo empaquetamiento {111} y en las direcciones de máximo empaquetamiento 110 en la estructura cristalina FCC hay ocho planos octaédricos, pero los planos del tipo {111} en las caras opuestas del octaedro paralelos entre si se consideran del mismo tipo de plano de deslizamiento (111) , por lo tanto hay solo cuatro tipos de planos de

deslizamiento. Cada plano

contiene tres direcciones de deslizamiento del tipo 110 por lo que se considera para la red FCC 12 sistemas de deslizamiento primarios. En el caso de materiales policristalinos, el deslizamiento ocurre dentro de cada grano a lo largo de los sistemas de deslizamiento que están mejor orientados con respecto a la tensión aplicada, lo anterior se muestra en la Figura 7; Además, durante la deformación, la forma de los granos cambia de tal manera que la cohesión en los límites de grano se mantenga. Los materiales policristalinos tienen

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mayor resistencia que los monocristales, lo cual significa que la tensión necesaria para iniciar el movimiento de las dislocaciones es mayor; lo anterior sucede por que aunque un grano está favorablemente orientado con la tensión aplicada, este no puede deformarse antes de que el grano adyacente y menos favorable sea capaz de deslizar. Figura 7.Líneas de deslizamiento del latón 70/30 policristalino

Fuente: www.tecnun.es/Asignaturas/ estcompmec/documentos/plastdesli.pdf

Por consiguiente durante la deformación plástica se tiene que: ™ Los límites de grano actúan como barreras al movimiento de las dislocaciones; de esta manera

refinando el tamaño del grano de un

material policristalino, éste se convierte en un material más resistente. ™ Las dislocaciones que se mueven a lo largo de un plano, no pueden pasar de un grano a otro en línea recta. Las líneas de deslizamiento cambian de dirección en los límites de grano, orientación,

ya que cada grano tiene su propia

por esta razón cada grano tiene su propio conjunto de

deslizamiento con orientaciones diferentes.

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™ Como consecuencia del movimiento de las dislocaciones y la deformación de los granos en un proceso de laminado en frió los granos se vuelven más alargados en la dirección del laminado. ™ La densidad de dislocaciones aumenta, así como también la extensión de las interacciones repulsivas entre los campos de deformación de las dislocaciones; el endurecimiento por deformación produce un aumento de la resistencia por deformación plástica. Las características microestructurales y mecánicas de una probeta deformada plásticamente pueden ser restauradas a los valores previos del estado no deformado mediante un tratamiento térmico apropiado.

2.4. TÉCNICA

PARA LA DETERMINACIÓN

DE LA ORIENTACIÓN DE

GRANOS A PARTIR DE LAS LÍNEAS DE DESLIZAMIENTO. La orientación de un cristal podría ser determinada a partir de las líneas de deslizamiento dadas en la identación, que se puede definir la línea de deslizamiento por el deslizamiento en cada plano {111} . Cuando es posible distinguir cuatro sistemas de líneas de deslizamiento (ver Figura 8) la orientación del cristal se puede hallar utilizando cósenos directores. El ángulo entre líneas de deslizamiento Lm y Ln, θmn, esta dado por:

θ = cos −1

r r L *L r m rn Lm * Ln

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Y son los siguientes:

θ12 = cos −1

h 2 − kl [1 − (hk + hl + kl )][1 + (hk + hl − kl )]

θ13 = cos −1

− l 2 + hk [1 − (hk + hl + kl )][1 + (kl + h − hkl )]

θ 23 = cos −1

θ14 = cos −1

k 2 + hl [1 + (hk + hl − kl )][1 + (kl + hl − hk )] k 2 − hl [1 − (hk + hl + kl )][1 + (kl + hk − hl )]

θ 34 = cos −1

h 2 + kl [1 + (kl + hl − hk )][1 + (kl + hk − hl )]

θ 24 = cos

− l 2 − hk [1 − (hk + hl − kl )][1 + (kl + hk − hl )]

−1

Resolviendo las ecuaciones anteriores el índice de P se puede determinar conociendo tres ángulos independientes entre las líneas de deslizamiento. En un cristal de sistema cúbico, cualquier dirección cristalográfica puede ser localizada en el triángulo [001] − [011] − [111] (ver Figura 9), sin perder cualquier detalle. Por consiguiente para cualquier plano P = (hkl ) se tiene que la relación entre los índices es: 0 ≤ h ≤ l .

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Figura 8. Esquema de líneas de deslizamiento.

L2 θ23 θ14

L1 θ34

L4 L3

Figura 9. Triangulo cristalográfico estándar.

En algunos casos hay orientaciones especiales en donde se pueden observar menos de cuatro sistemas de líneas de deslizamiento y son las siguientes: 001 , 111 , hhl , en el limite de [001] − [111] y la orientación hll en el limite [111]-

[011] del triángulo básico [001] − [011] − [111] en estos casos los índices de la superficie identada se puede determinar como sigue: 1. La superficie plana es (001) si sólo dos sistemas de líneas de deslizamiento mutuamente perpendiculares son observados.

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2. La superficie plana es (111) si sólo tres sistemas de deslizamiento haciendo ángulos de 60 ° entre ellas fueron observados. 3. La orientación de la superficie cae directamente sobre la línea [001] − [111] , cuando la orientación está en la forma hhl uno tiene que θ13=180°, θ’14=θ23>60° y

θ’24